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Evaluierung einer optischen O2 Sonde und Sensor Spots für die Langzeitmessung in Rührkessel-Bioreaktoren

Überwachung von Säugerzellkultur mit OXYPro® und Sensor Spots SP-PSt3

Melissa Hill1, Greg Laslo1, Marcelo Kern1, Sayantan Bose1, Christian Krause2
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GlaxoSmithKline, King of Prussia, PA, USA
2PreSens Precision Sensing GmbH, Regensburg, Deutschland

Wir verwendeten optische PreSens Sensor Spots und die OXYPro® Sauerstoffsonde zur Überwachung von Zellkultur in einem Rührkessel-Bioreaktor. Die optischen Messungen wurden mit Daten einer kontrollierenden und einer überwachenden DO-Sonde verglichen. An den Seitenwänden des Bioreaktors waren mehrere O2 Sensor Spots angebracht. Die OXYPro® Stahlsonde wurde über einen Standardport von oben integriert. Messungen während einer 15-tägigen Säugetierzellkultur zeigten, dass die Sonde sowie die Sensorpunkte gut mit den Referenzsonden übereinstimmten. Bei den optischen Sauerstoffmessungen konnte keine Drift festgestellt werden. Sowohl OXYPro® als auch die Referenzsonde wurden jedoch durch O2-Einspülung beeinflusst. Die Sensor Spots von PreSens schienen die beste Sauerstoffmesslösung in diesem Aufbau zu sein.

Die Überwachung und Kontrolle des Gehalts an gelöstem Sauerstoff (DO) in Säugetierzellkultur ist unerlässlich, um stabiles Zellwachstum und eine stabile Reproduzierbarkeit sicherzustellen. Es werden präzise Sauerstoffsensoren benötigt, die in Bioreaktoren implementiert werden können und über lange Zeiträume zuverlässige Daten liefern. In dieser Studie haben wir verschiedene optische Sensordesigns von PreSens - Sensor Spots und eine Stahlsonde - auf ihre Eignung zur Überwachung und Steuerung des Sauerstoffgehalts in einem Rührkessel-Bioreaktor getestet. An der Glaswand des Bioreaktors waren mehrere O2 Sensor Spots angebracht. Sie wurden von außen über eine Polymer-Lichtleitfaser ausgelesen. Während ein Sensor Spot für kontinuierliche Messungen verwendet wurde, wurden die anderen Spots nur periodisch ausgelesen, um die Spot-zu-Spot-Variabilität und die Signaldrift zu bestimmen. Die optische Stahlsonde OXYPro® wurde über den Standardanschluss durch den Bioreaktordeckel eingeführt. Alle elektrooptischen Komponenten dieser Sonde sind im Stahlgehäuse integriert und können über eine Kabelverbindung mit einem Controller oder PC verbunden werden. Die nicht-invasiven Sensor Spots eignen sich zur Integration in autoklavierbare Glasbioreaktoren, während OXYPro® auch zur Verwendung in Stahlfermentern geeignet ist. Bei diesen Tests wurden auch optische pH Sensor Spots und eine neuartige pH-Stahlsonde von PreSens bewertet. Diese Ergebnisse werden in einem separaten Anwendungsbericht beschrieben. In zukünftigen Studien werden die optischen Sensoren auch an die Steuerung angeschlossen getestet.

Material & Methoden

Die optischen O2 Sensor Spots (SP-PSt3) wurden an der inneren Bioreaktorwand eines 3 l-Glasreaktors angebracht. Der Bioreaktor wurde vor der Inokulation mit einer CHO-Zelllinie autoklaviert. An der Position der Sensor Spots wurde ein Loch in den Bioreaktor-Wärmemantel geschnitten, damit sie von außen über eine optische Polymerfaser ausgelesen werden konnten. Ein Adapter für runde Behälter (ARC) wurde verwendet, um die optischen Fasern zum kontinuierlichen Auslesen der Sensoren in Position zu halten. Die anderen Sensor Spots wurden regelmäßig überprüft, um die Variabilität von Spot zu Spot, die Drift und den Effekt des Photobleichens über einen Zeitraum von 15 Tagen zu bestimmen. Die Sensor Spots wurden mit OXY-1 SMA Sauerstoffmessgeräten ausgelesen, die mit der PreSens Measurement Studio 2 Software gesteuert wurden. Die OXYPro® Stahlsonde wurde über eine Standardöffnung im Deckel in den Bioreaktor eingeführt und so weit wie möglich vom Sauerstoff-Sparger entfernt positioniert (Abb. 1). Der DO-Sollwert betrug 50 ± 10% auf dem Applikon EZ Controller-System. Eine optische Mettler-Toledo-Sonde wurde zur DO-Kontrolle verwendet. Kontinuierliche Sauerstoffmessungen wurden in Zeitintervallen von 3 Sekunden über 15 Tage durchgeführt.

Ergebnisse

Abbildung 2 zeigt die Leistung der optischen Sensor Spots während 15 Tagen Kulturüberwachung im Vergleich zu einer kontrollierenden und einer nicht kontrollierenden Referenzsonde. Die Sensor Spots zeigten ähnliche Trends wie die Kontrollsonde (siehe Abb. 3). Während die optischen Mettler-Toledo-Sonden mit der DO-Kontrolle zu kämpfen hatten, wurden die Spotmessungen nicht so signifikant beeinflusst. Während des gesamten Messzeitraums konnte keine Drift in den Sensor Spot Aufzeichnungen festgestellt werden. Die schnelle Fluktuation begann am Tag 3, nachdem die Perfusion für das System stattgefunden hatte. Der PreSens DO-Spot weichte nicht ab, selbst nachdem der Reaktor eine maximale Zelldichte von 40 Millionen Zellen/ml erreicht hatte.

Die OXYPro® Sonde zeigte auch einen ähnlichen Trend wie die Kontrollsonde, außer wenn die O2-Einspülrate hoch war, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Obwohl die PreSens-Sonde so weit wie möglich vom Sparger entfernt platziert wurde, schien sie ebenso wie die Kontrollsonde von den Luftblasen betroffen zu sein. PreSens bietet auch eine abgeschrägte Sensorkappe an, die mit dem Sondenkörper verschraubt werden kann und möglicherweise die Auswirkung von Luftblasen auf die Sauerstoffwerte verringert. Dies wurde jedoch in unseren Experimenten nicht getestet. Im Vergleich zu den Sonden erzeugten die Sensor Spots im Bioreaktor stabilere Messungen und waren von den O2-Einspülungen nicht so stark betroffen. Die Sensor Spots schienen für diesen Versuchsaufbau die vertrauenswürdigsten DO-Sensoren zu sein.

Zusammenfassung

Unsere Experimente haben gezeigt, dass sowohl die optischen Sensor Spots als auch die OXYPro® zur Sauerstoffüberwachung in Rührkessel-Bioreaktoren verwendet werden können. Während des 15-tägigen Testzeitraums wurde keine Signaldrift festgestellt, was die Langzeitstabilität dieser Sensoren zeigt. Während die Sauerstoffstahlsonden, die von der Oberseite des Bioreaktors integriert waren, durch O2-Einspülungen von den Luftblasen beeinflusst wurden, zeigten die Sensor Spot Messungen weniger Schwankungen. In diesem Bioreaktoraufbau scheinen die Sensor Spots die zuverlässigste Messlösung für die Sauerstoffüberwachung zu sein. Weitere Tests werden durchgeführt, um die verschiedenen optischen Sensoren an der Steuerung angeschlossen zu testen.

Danksagung
Das zu diesem Bericht führende Projekt wurde von der gemeinsamen Initiative Innovative Medicines Initiative 2 im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 777397 finanziert. Dieses gemeinsame Unterfangen erhält die Unterstützung des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union und EFPIA.

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